移動電話通信原理補充移動電話通信原理補充11.1蜂窩移動系統(tǒng)概述1.2數(shù)字通信流程1.3多址接入1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述1.2數(shù)字通信流程1.3多址接入2一、基本概念起源于美國的貝爾系統(tǒng)模擬移動通信系統(tǒng):AMPS、TACS、CMTS、NMT

蜂窩與微蜂窩技術(shù)：高容量、小區(qū)、頻率復用

PSTN、MTSO（MSC）、BSS、MS1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述一、基本概念1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述3移動網(wǎng)絡與PSTN連接漫游移動網(wǎng)絡與PSTN連接4二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成市話局交換子系統(tǒng)NSS基站子系統(tǒng)BSS操作維護系統(tǒng)OMSMS固定電話網(wǎng)移動通信系統(tǒng)二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成市話局交換子系統(tǒng)NSS基站子系統(tǒng)5信道化擴頻通信保密、抗干擾信道化63、數(shù)字信號射頻化無線電波攜帶信息的手段——相位、頻率、幅度一級調(diào)制——QPSK、GMSKIQ信號高頻電磁波3、數(shù)字信號射頻化一級調(diào)制——QPSK、GMSK7手機通信補充材料class課件8多址技術(shù)即區(qū)分信道或用戶的技術(shù)，使眾多的用戶共用公共的通信線路，擴大了通信容量實現(xiàn)多址的基本方法：FrequencyDivisionMultipleAccessTimeDivisionMultipleAccessCodeDivisionMultipleAccess實際中混合多址1.3多址接入多址技術(shù)即區(qū)分信道或用戶的技術(shù)，使眾多的用戶共用公共的通信線9頻分多址頻分多址是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(或稱信道)供不同的用戶使用頻道互不重疊，其寬度僅能傳輸一路話音或數(shù)據(jù)信息相鄰信道無明顯串擾一般情況是，基站的發(fā)射頻率高，其接收頻率低任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)無線廣播第一代移動通信系統(tǒng)頻分多址頻分多址是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(10FDMA的頻道劃分方法

FDMA的頻道劃分方法11時分多址TDMA是將每個頻帶信道分割成若干個時隙（時間片），然后把每個時隙再分配給每個用戶方法：把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙無論是幀或時隙都是互不重疊的TDMA系統(tǒng)根據(jù)一定的時隙分配原則，使移動臺和基站之間在每幀內(nèi)只能按指定的時隙進行通信不同的移動臺共用一個頻率，但各個移動臺占用的時間不同，即各移動臺占用不同的“時隙”，分時通信第二代移動通信系統(tǒng)時分多址TDMA是將每個頻帶信道分割成若干個時隙（時間片），12TDMA示意圖TDMA示意圖13碼分多址不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用不同的編碼序列來區(qū)分，或者說，靠信號的不同波形來區(qū)分從頻域或時域觀察，CDMA信號是相互重疊的！CDMA的關(guān)鍵是所用擴頻碼有多少個不同的互相正交的碼序列，就有多少個不同的地址碼，也就有多少個碼分信道TDMA、FDMA的特點是為提高通信容量盡力壓縮帶寬；而CDMA不是擴頻通信技術(shù)碼分多址不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來14CDMA示意圖CDMA示意圖15ENDEND16ＶｏＩＰ中的語音編碼技術(shù)分析(2009-04-0110:38:00)標簽：雜談

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的電話新業(yè)務——ＶｏＩＰ業(yè)務。ＶｏＩＰ（ＶｏｉｃｅｏｖｅｒＩＰ，基于ＩＰ的語音通信）也稱為ＩＰ電話，是建立在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的新型數(shù)字化傳輸技術(shù)。ＶｏＩＰ的使用，可以極大地降低用戶的通信費用，而互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展也促進ＶｏＩＰ技術(shù)的迅猛發(fā)展。ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話的成功開發(fā)和應用，預示了以ＩＰ為基礎的新一代信息網(wǎng)絡的出現(xiàn)，積極地探索和跟蹤這項新技術(shù)無疑具有十分重要的意義。

１語音編碼的原理

為使ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話能夠可靠地進行語音通信，必須解決好兩個問題：一是在保證一定話音質(zhì)量的前提下盡可能地降低編碼比特率，二是在ＩＰ網(wǎng)絡環(huán)境下保證一定的通話質(zhì)量。前者正是我們要探討的語音編碼技術(shù)，同一段語音信號，采用不同的編碼方式，其編碼后的比特率各不相同。那么如何對語音信號進行壓縮編碼從而達到降低語音信號的比特率呢？

１．１利用了語音信號的相關(guān)性

語音信號主要存在兩方面的冗余度，即語音信號幅度分布的非均勻性和樣本之間的相關(guān)性。非均勻性表現(xiàn)為小幅度語音信號出現(xiàn)的概率大而大幅度語音信號出現(xiàn)的概率小，非均勻量化技術(shù)正是針對語音信號的這一特點而提出的，例如ＡＤＰＣＭ編碼算法；樣本之間的相關(guān)性表現(xiàn)為樣本點之間的短時相關(guān)性和相鄰基音周期之間的長時相關(guān)性，利用語音信號的相關(guān)性，可以在實現(xiàn)低速率編碼時，也能保持較高的語音編碼質(zhì)量，例如線性預測算法就是利用這一原理。

１．２利用了人耳的聽覺特性

人耳對語音信號的聽覺特性表現(xiàn)在３個方面：一是人耳對語音信號的分辨率有限；二是人耳對語音信號某些失真不是很敏感；三是人耳的掩蔽效應。低速率高品質(zhì)語音編碼算法的實現(xiàn)就是基于人耳的這些聽覺特性，既可以保證人耳感覺不到語音質(zhì)量的下降，又降低了語音編碼速率。

１．３靜音壓縮

測試表明，人在正常談話時，有５０％左右是靜音，而靜音信息只需很少幾個參數(shù)（４字節(jié)/幀）來表示。靜音編碼主要由兩個算法組成：語音檢測（ＶｏｉｃｅＡｃｔｉｖｉｔｙＤｅｔｅｃｔｉｏｎＶＡＤ）和柔和噪聲再生（ＣｏｍｆｏｒｔＮｏｉｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ

ＣＮＧ）。ＶＡＤ是用來檢測輸入的信號是實際語音信號還是背景噪聲。如果檢測到是語音信號，則對語音信號進行固定速率的編碼；如果輸入信號被檢測為背景噪聲，編碼器則對其進行低速率編碼。ＣＮＧ的作用是在話音信號的接收端重構(gòu)背景噪聲。在Ｇ．７２３．１編碼器中引入靜音壓縮技術(shù)后，實際的平均編碼速率要小于５．３ｋｂ/ｓ，可以達到３．５ｋｂ/ｓ以下。ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話中已被廣泛使用的線性預測合成分析編碼就是基于此項原理的應用。

２語音編碼技術(shù)的分類

根據(jù)語音編碼的發(fā)展過程，我們把該技術(shù)歸納為以下３類：

２．１波形編碼（或稱為非參數(shù)編碼）

波形編解碼器基本上不考慮信號是如何產(chǎn)生的，而直接將輸入的模擬信號抽樣編碼，然后將量化后的樣值傳送到終端，在終端原始信號被重組到與原信號大致接近的程度。因此波形編碼方式是能夠忠實地表現(xiàn)波形的編碼方式。由于這類編碼器通常將語音信號作為一般的波形信號來處理，所以它具有適應能力強、話音質(zhì)量好、抗噪抗誤碼的能力強等特點，它最大的缺點是同其他的編解碼器相比，它要使用大量的帶寬，當波形編解碼器用于低帶寬時，話音質(zhì)量下降得非?？?。

脈沖編碼調(diào)制（ＰＣＭ）、自適應增量調(diào)制（ＡＤＭ或ΔＭ編碼）、自適應差分編碼（ＡＤＰＣＭ）、自適應預測編碼（ＡＰＣ）、自適應子帶編碼（ＡＳＢＣ）、自適應變換編碼（ＡＴＣ）等都屬于波形編碼。

２．２參數(shù)編碼（或稱為模型編碼或聲碼化編碼）

參數(shù)編碼是根據(jù)聲音的形成模型，把聲音變換成參數(shù)的編碼方式。其基本方法是通過對語音信號特征參數(shù)的提取及編碼，力圖使重建語音信號具有盡可能的可懂性，即保持原語音的語義。而重建的信號波形同原語音信號的波形可能會有相當大的差別。由于參數(shù)編碼是保護語聲模型，重建清晰可識別的語聲，而不注重波形的擬合，所以這類編碼技術(shù)實現(xiàn)的是合成語聲質(zhì)量下的低速或極低速的編碼。參數(shù)編碼的優(yōu)點是：編碼速率低，編碼速率通常小于４．８ｋｂ/ｓ，可以低至６００ｂ/ｓ～２．４ｋｂ/ｓ；缺點是：合成語音質(zhì)量差，特別是自然度較低，連熟人之間都不一定能聽出講話人是誰。另外，這類編碼器對講話環(huán)境噪聲較敏感，需要安靜的講話環(huán)境才能給出較高的可懂度，且時延大。

線性預測編碼（ＬＰＣ）、多帶激勵（ＭＢＥ）編碼、余弦變換編碼（ＳＴＣ）均屬參數(shù)編碼。

２．３混合編碼

混合編碼是將波形編碼與參數(shù)編碼結(jié)合而產(chǎn)生的一種編碼方式。采用線性技術(shù)構(gòu)成聲道模型，不只傳輸預測參數(shù)和清濁音信息，而是將預測誤差信息和預測參數(shù)同時傳輸，在接收端構(gòu)成新的激勵減去激勵預測參數(shù)構(gòu)成的合成濾波器，使得合成濾波器輸出的信號波形與原始語聲信號的波形最大程度地擬合，從而獲得自然度較高的語聲?；旌暇幋a克服了原有波形編碼器與聲碼器的弱點，結(jié)合了它們的優(yōu)點，在４ｋｂ/ｓ～１６ｋｂ/ｓ速率上能夠得到高質(zhì)量合成語音，在本質(zhì)上具有波形編碼的優(yōu)點，有一定抗噪和抗誤碼的性能，但時延較大。

多脈沖線性預測編碼（ＭＰＬＰＣ）、規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼（ＲＰＥＬＰＣ）、碼激勵線性預測編碼（ＣＥＬＰＣ）、低時延的碼激勵線性預測編碼（ＬＤ－ＣＥＬＰＣ）等都屬于混合編碼。

３ＶｏＩＰ中常用語音編碼算法的性能分析和比較

３．１Ｇ．７１１協(xié)議

Ｇ．７１１是在電路交換電話網(wǎng)中普遍使用的一種波形編解碼算法。Ｇ．７１１以８ｋＨｚ作為抽樣頻率，如果使用統(tǒng)一量化方式，話音中通用的信號層次的每一個樣本就要１２比特來表示，這就產(chǎn)生了９６ｋｂ/ｓ的比特速率。如果使用不統(tǒng)一的量化方式，表示一個樣本只需要８比特。Ｇ．７１１通常被稱為ＰＣＭ（脈沖編碼調(diào)制）。

Ｇ．７１１有Ａ律和ｕ律兩個變型，兩者之間的區(qū)別主要在于不統(tǒng)一量化的使用方式，兩者都是關(guān)于０對稱。對于較低的信號層次來講，Ａ律對于信號的歪曲程度比ｕ律更小一些，這是因為它對一個較大范圍內(nèi)的低層次信號提供較小的量化間隔，但以較大范圍內(nèi)的高層信號的較大量化層次為代價。Ａ律和ｕ律都提供了良好的語音質(zhì)量，并且Ｍｏｓ等級都在４．３左右。

３．２Ｇ．７２３協(xié)議

Ｇ．７２３協(xié)議是一個雙速率語音編碼協(xié)議，其兩種速率分別是５．３ｋｂ/ｓ和６．３ｋｂ/ｓ，較高比特率的輸出基于ＭＬ－ＭＬＱ技術(shù)，提供某種程度上較高質(zhì)量的音質(zhì)；較低速率的輸出基于ＣＥＬＰ，為系統(tǒng)設計人員提供了更大的靈活性。Ｇ．７２３．１協(xié)議的編解碼算法中兩種速率的編解碼基本原理是一樣的，只是激勵信號的量化方法有差別。對高速率（６．３ｋｂ/ｓ）編碼器，其激勵信號采用多脈沖最大似然量化（ＭＰ－ＭＬＱ）法進行量化，對低速率（５．３ｋｂ/ｓ）編碼器，其激勵信號采用代數(shù)碼激碼線性預測（ＡＣＥＬＰ）法量化。

編碼過程是首先選速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ語音信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，然后把輸入語音信號的每２４０個樣點組成一個幀，也就是３０ｍｓ的幀長。每個幀通過高通濾波器后再分為４個子幀。對于每個子幀，計算出１０階線性預測濾波器的系數(shù)。為了適于矢量量化，把預測系數(shù)轉(zhuǎn)化為線性頻譜對（ＬｉｎｅＳｐｅｃｔｒｕｍＰａｉｒ，ＬＳＰ），然后進行矢量量化。量化前的系數(shù)構(gòu)成短時感覺加權(quán)濾波器，原始語音信號經(jīng)過該濾波器得到感覺加權(quán)語音信號。對于每兩個子幀，編碼器用感覺加權(quán)語音信號求得開環(huán)基音周期，基音周期范圍從１８個樣點到１４２個樣點。此后編碼器所進行的操作都是基于６０個樣點進行的。由開環(huán)基音周期和感覺加權(quán)是在開環(huán)基音周期點周圍的一定范圍內(nèi)求得的。最后，激勵信號被量化，然后把這些參數(shù)和激勵信號量化結(jié)果傳送到解碼器。由于幀長為３０ｍｓ，并存在另外的７．５ｍｓ的前向延遲，導致３７．５ｍｓ總的編碼延遲。

Ｇ．７２３協(xié)議適用于低速率多媒體服務中語音或音頻信號的壓縮算法，在ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)中，被用來實現(xiàn)實時語音編碼解碼處理。

３．３Ｇ．７２６協(xié)議

Ｇ．７２６協(xié)議采用的是ＡＤＰＣＭ語音編碼算法，提供了６４ｋｂ/ｓＰＣＭ碼流至低速率ＡＤＰＣＭ碼流的轉(zhuǎn)換。協(xié)議給出４０ｋｂ/ｓ，３２ｋｂ/ｓ，２４ｋｂ/ｓ和１６ｋｂ/ｓ４種比特率。其中，４０ｋｂ/ｓ信道主要用于在數(shù)字電路倍增設備（ＤＣＭＥ）上傳送數(shù)據(jù)ｍｏｄｅｍ信號，特別用于４．８ｋｂ/ｓ以上速率的ｍｏｄｅｍ；２４ｋｂ/ｓ和１６ｋｂ/ｓ信道主要用作ＤＣＭＥ語音傳送的過載信道。Ｇ．７２６設計的主要用途仍然是傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)，但是其低比特率方案也可用于ＶｏＩＰ。

３．４Ｇ．７２８協(xié)議

Ｇ．７２８協(xié)議采用的編碼算法是ＬＤ－ＣＥＬＰ，即低時延的碼激勵線性預測的算法。ＬＤ－ＣＥＬＰ采用后向自適應預測器（ＢａｃｋｗｏｒｄＡｄａｐｔｉｖｅＰｒｅｄｉｃｔｏｒ）對短時譜和增益進行預測。ＬＤ－ＣＥＬＰ編碼器發(fā)送的只是激勵矢量在碼本中的地址標號，而解碼端的濾波器參數(shù)和增益參數(shù)都是在解碼端計算得來的。在大多數(shù)編碼系統(tǒng)中，這類參數(shù)都是在編碼端求得，然后傳輸?shù)浇獯a端。

編碼過程是首先將速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ輸入信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，接著由５個連續(xù)的語音樣點組成一個５維矢量，激勵碼本中共有１０２４個５維矢量。對每一個輸入矢量，編碼器利用合成—分析法從碼本中搜索出最佳碼本矢量，然后將１０比特的碼本標號傳給對方。每２０個樣點構(gòu)成一個復幀，一個復幀構(gòu)成一個自適應周期，每復幀更新一次ＬＰ系數(shù)。最佳碼本矢量通過增益加權(quán)和合成濾波器后形成合成語音，該合成語音用來更新濾波器狀態(tài)，以便繼續(xù)為下一個輸入矢量進行編碼。合成濾波器系數(shù)和增益分別通過各自的后向自適應單元進行周期性地更新。

３．５Ｇ．７２９協(xié)議

Ｇ．７２９協(xié)議是一個能在８ｋｂ/ｓ速率上實現(xiàn)高質(zhì)量語音編碼的協(xié)議，它采用的是ＣＳ－ＡＣＥＬＰ即共軛結(jié)構(gòu)算術(shù)碼激勵線性預測的算法。ＣＳ－ＡＣＥＬＰ以ＣＥＬＰ編碼模型為基礎，它把語音分成幀，每幀１０ｍｓ，也就是８０個采樣點。對于每一幀語音，編碼器從中分析出ＣＥＬＰ模型參數(shù)，其中包括線性預測系數(shù)，自適應碼本和隨機碼本的索引值和增益，然后把這些參數(shù)傳送到解碼端，解碼器利用這些參數(shù)構(gòu)成激勵源和合成濾波器，從而重現(xiàn)原始語音。

編碼過程是首先將速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ語音信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，通過高通濾波器后，把輸入語音信號的每８０個樣點組成一個幀，也就是１０ｍｓ的幀長。對于每個幀用線性預測法求得ＬＰ濾波器系數(shù)，為了適于矢量量化，把預測系數(shù)轉(zhuǎn)化為線譜對，然后進行矢量量化。利用合成—分析方法，使原始語音和合成語音之間的誤差最小，來獲得最佳激勵信號。激勵信號的量化是通過兩個碼本來實現(xiàn)的，即自適應碼本和隨機碼本。自適應碼本反映的是長時預測結(jié)果，也就是基音預測結(jié)果。隨機碼本反映的是經(jīng)過長時預測和短時預測后的殘留信號。

在ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)中，Ｇ．７２９協(xié)議被用來實現(xiàn)實時語音編碼處理。

３．６ＶｏＩＰ常用語音編碼算法的性能分析和比較

從表１可以看出：Ｇ．７１１由于采用的是波形編碼算法，具有高質(zhì)量和低時延的語音，主要的缺點是需要６４ｋｂ/ｓ的帶寬。Ｇ．７２３．１，Ｇ７２８，Ｇ．７２９都采用了混合編碼算法，混合編碼把激勵模型和語音的時域波形結(jié)合到一起，從而改善了合成語音的質(zhì)量。但這３種語音壓縮編碼算法的區(qū)別在于激勵模型的不同。Ｇ．７２３．１Ｍｏｓ值約為３．８，優(yōu)點在于僅需要很窄的語音帶寬便可具有較高的語音質(zhì)量；缺點在于在編碼器一端至少有３７．５ｍｓ的時延。Ｇ．７２８最大的優(yōu)點是它能提供高質(zhì)量和低時延的語音。

４結(jié)語

語音編碼技術(shù)是建立和處理ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話的原動力，可以預見，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，原來Ｇ．７１１的６４ｋｂ/ｓ語音編碼算法最終會被淘汰，并由低比特率編碼算法所替代。

ＶｏＩＰ中的語音編碼技術(shù)分析(2009-04-0110:317頻率復用——通用功率控制RAKE接收機CDMA切換1.4CDMA的特征和優(yōu)勢頻率復用——通用1.4CDMA的特征和優(yōu)勢18功率控制克服遠近效應功率控制19手機通信補充材料class課件20RAKE接收機克服多徑干擾RAKE接收機21CDMA切換一個呼叫從一個小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個小區(qū)的處理過程保持通信的連續(xù)性軟切換、空閑切換、硬切換CDMA切換22CDMA優(yōu)點系統(tǒng)具有軟容量（取決于擴頻碼的數(shù)量）多媒體通信（寬帶特性）語音質(zhì)量高（可采用冗余度高的糾錯編碼）無需防護間隔實現(xiàn)軟切換保密性強低功耗（功率控制，僅僅為TDMA平均功率的十分之一）建網(wǎng)成本低CDMA優(yōu)點系統(tǒng)具有軟容量（取決于擴頻碼的數(shù)量）231.5呼叫處理階段初始化空閑模式接入模式通話模式1.5呼叫處理階段初始化24通用移動通信系統(tǒng)WCDMACDMA2000TD-SCDMA1.6UMTS簡介1.6UMTS簡介253G的目標全球漫游多種無線技術(shù)的融合/并存網(wǎng)絡技術(shù)的多元化/分層化發(fā)展頻率資源的一致性業(yè)務的寬代化/智能化/個性化/多樣化便于過渡和演進多頻多模終端衛(wèi)星系統(tǒng)宏蜂窩微蜂窩城區(qū)室內(nèi)微微蜂窩全球郊區(qū)3G的目標全球漫游衛(wèi)星系統(tǒng)宏蜂窩微蜂窩城區(qū)室內(nèi)微微蜂窩全球郊261、WCDMA技術(shù)由愛立信、諾基亞等歐洲設備制造商提出的基于CDMA擴頻技術(shù)的IMT2000CDMAFDD技術(shù)充分考慮現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的后向兼容性WCDMA的技術(shù)特點可適應多種速率的傳輸，靈活地提供多種業(yè)務基站之間無需同步優(yōu)化的分組數(shù)據(jù)傳輸方式支持不同載頻之間的切換上、下行快速功率控制反向采用導頻輔助的相干檢測（提高反向解調(diào)增益，提高功率控制準確性）充分考慮了信號設計對EMC的影響1、WCDMA技術(shù)272、CDMA2000技術(shù)北美的LUCENT、MOTOROLA、NORTEL、QUALCOMM公司以及韓國SAMSUNG等公司聯(lián)合提出的基于IS－95的IMT2000CDMAFDD標準充分考慮現(xiàn)有窄帶CDMA系統(tǒng)的后向兼容性沿用IS－95的主要技術(shù)思路，如幀長20ms，采用IS－95的軟切換和功率控制技術(shù)，需要GPS同步等。但也做了一些實質(zhì)性的改進，主要有：反向信道采用連續(xù)導頻方式反向信道相干接收前向發(fā)送分集全部速率采用CRC方式充分考慮了信號設計對EMC的影響2、CDMA2000技術(shù)283、TD－SCDMA技術(shù)中國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IMT2000CDMATDD技術(shù)主要特點：能使用各種頻率資源，不需要成對的頻率適用于不對稱的上下行數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，特別適用于IP型的數(shù)據(jù)業(yè)務上下行工作于同一頻率，對稱的電波傳播特性使之便于使用智能天線等新技術(shù)，達到提高性能、降低成本的目的設備成本可能比FDD系統(tǒng)低20－50％3、TD－SCDMA技術(shù)29第一章小結(jié)移動通信系統(tǒng)組成數(shù)字通信流程話音信號處理模擬信號/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號射頻化移動通信的多址接入方式和各自特點CDMA的特征和優(yōu)勢頻率復用——通用功率控制——克服遠近效應RAKE接收機——克服多徑干擾CDMA切換——實現(xiàn)通信的連續(xù)性呼叫處理階段UMTS簡介作業(yè)：Page21：1，6，7，8第一章小結(jié)移動通信系統(tǒng)組成CDMA的特征和優(yōu)勢作業(yè)：Page30/mo/wwwThankYou!/mo/ww31移動電話通信原理補充移動電話通信原理補充321.1蜂窩移動系統(tǒng)概述1.2數(shù)字通信流程1.3多址接入1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述1.2數(shù)字通信流程1.3多址接入33一、基本概念起源于美國的貝爾系統(tǒng)模擬移動通信系統(tǒng):AMPS、TACS、CMTS、NMT

蜂窩與微蜂窩技術(shù)：高容量、小區(qū)、頻率復用

PSTN、MTSO（MSC）、BSS、MS1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述一、基本概念1.1蜂窩移動系統(tǒng)概述34移動網(wǎng)絡與PSTN連接漫游移動網(wǎng)絡與PSTN連接35二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成市話局交換子系統(tǒng)NSS基站子系統(tǒng)BSS操作維護系統(tǒng)OMSMS固定電話網(wǎng)移動通信系統(tǒng)二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成二、數(shù)字移動通信系統(tǒng)基本組成市話局交換子系統(tǒng)NSS基站子系統(tǒng)36信道化擴頻通信保密、抗干擾信道化373、數(shù)字信號射頻化無線電波攜帶信息的手段——相位、頻率、幅度一級調(diào)制——QPSK、GMSKIQ信號高頻電磁波3、數(shù)字信號射頻化一級調(diào)制——QPSK、GMSK38手機通信補充材料class課件39多址技術(shù)即區(qū)分信道或用戶的技術(shù)，使眾多的用戶共用公共的通信線路，擴大了通信容量實現(xiàn)多址的基本方法：FrequencyDivisionMultipleAccessTimeDivisionMultipleAccessCodeDivisionMultipleAccess實際中混合多址1.3多址接入多址技術(shù)即區(qū)分信道或用戶的技術(shù)，使眾多的用戶共用公共的通信線40頻分多址頻分多址是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(或稱信道)供不同的用戶使用頻道互不重疊，其寬度僅能傳輸一路話音或數(shù)據(jù)信息相鄰信道無明顯串擾一般情況是，基站的發(fā)射頻率高，其接收頻率低任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)無線廣播第一代移動通信系統(tǒng)頻分多址頻分多址是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(41FDMA的頻道劃分方法

FDMA的頻道劃分方法42時分多址TDMA是將每個頻帶信道分割成若干個時隙（時間片），然后把每個時隙再分配給每個用戶方法：把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙無論是幀或時隙都是互不重疊的TDMA系統(tǒng)根據(jù)一定的時隙分配原則，使移動臺和基站之間在每幀內(nèi)只能按指定的時隙進行通信不同的移動臺共用一個頻率，但各個移動臺占用的時間不同，即各移動臺占用不同的“時隙”，分時通信第二代移動通信系統(tǒng)時分多址TDMA是將每個頻帶信道分割成若干個時隙（時間片），43TDMA示意圖TDMA示意圖44碼分多址不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用不同的編碼序列來區(qū)分，或者說，靠信號的不同波形來區(qū)分從頻域或時域觀察，CDMA信號是相互重疊的！CDMA的關(guān)鍵是所用擴頻碼有多少個不同的互相正交的碼序列，就有多少個不同的地址碼，也就有多少個碼分信道TDMA、FDMA的特點是為提高通信容量盡力壓縮帶寬；而CDMA不是擴頻通信技術(shù)碼分多址不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來45CDMA示意圖CDMA示意圖46ENDEND47ＶｏＩＰ中的語音編碼技術(shù)分析(2009-04-0110:38:00)標簽：雜談

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的電話新業(yè)務——ＶｏＩＰ業(yè)務。ＶｏＩＰ（ＶｏｉｃｅｏｖｅｒＩＰ，基于ＩＰ的語音通信）也稱為ＩＰ電話，是建立在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的新型數(shù)字化傳輸技術(shù)。ＶｏＩＰ的使用，可以極大地降低用戶的通信費用，而互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展也促進ＶｏＩＰ技術(shù)的迅猛發(fā)展。ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話的成功開發(fā)和應用，預示了以ＩＰ為基礎的新一代信息網(wǎng)絡的出現(xiàn)，積極地探索和跟蹤這項新技術(shù)無疑具有十分重要的意義。

１語音編碼的原理

為使ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話能夠可靠地進行語音通信，必須解決好兩個問題：一是在保證一定話音質(zhì)量的前提下盡可能地降低編碼比特率，二是在ＩＰ網(wǎng)絡環(huán)境下保證一定的通話質(zhì)量。前者正是我們要探討的語音編碼技術(shù)，同一段語音信號，采用不同的編碼方式，其編碼后的比特率各不相同。那么如何對語音信號進行壓縮編碼從而達到降低語音信號的比特率呢？

１．１利用了語音信號的相關(guān)性

語音信號主要存在兩方面的冗余度，即語音信號幅度分布的非均勻性和樣本之間的相關(guān)性。非均勻性表現(xiàn)為小幅度語音信號出現(xiàn)的概率大而大幅度語音信號出現(xiàn)的概率小，非均勻量化技術(shù)正是針對語音信號的這一特點而提出的，例如ＡＤＰＣＭ編碼算法；樣本之間的相關(guān)性表現(xiàn)為樣本點之間的短時相關(guān)性和相鄰基音周期之間的長時相關(guān)性，利用語音信號的相關(guān)性，可以在實現(xiàn)低速率編碼時，也能保持較高的語音編碼質(zhì)量，例如線性預測算法就是利用這一原理。

１．２利用了人耳的聽覺特性

人耳對語音信號的聽覺特性表現(xiàn)在３個方面：一是人耳對語音信號的分辨率有限；二是人耳對語音信號某些失真不是很敏感；三是人耳的掩蔽效應。低速率高品質(zhì)語音編碼算法的實現(xiàn)就是基于人耳的這些聽覺特性，既可以保證人耳感覺不到語音質(zhì)量的下降，又降低了語音編碼速率。

１．３靜音壓縮

測試表明，人在正常談話時，有５０％左右是靜音，而靜音信息只需很少幾個參數(shù)（４字節(jié)/幀）來表示。靜音編碼主要由兩個算法組成：語音檢測（ＶｏｉｃｅＡｃｔｉｖｉｔｙＤｅｔｅｃｔｉｏｎＶＡＤ）和柔和噪聲再生（ＣｏｍｆｏｒｔＮｏｉｓｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ

ＣＮＧ）。ＶＡＤ是用來檢測輸入的信號是實際語音信號還是背景噪聲。如果檢測到是語音信號，則對語音信號進行固定速率的編碼；如果輸入信號被檢測為背景噪聲，編碼器則對其進行低速率編碼。ＣＮＧ的作用是在話音信號的接收端重構(gòu)背景噪聲。在Ｇ．７２３．１編碼器中引入靜音壓縮技術(shù)后，實際的平均編碼速率要小于５．３ｋｂ/ｓ，可以達到３．５ｋｂ/ｓ以下。ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話中已被廣泛使用的線性預測合成分析編碼就是基于此項原理的應用。

２語音編碼技術(shù)的分類

根據(jù)語音編碼的發(fā)展過程，我們把該技術(shù)歸納為以下３類：

２．１波形編碼（或稱為非參數(shù)編碼）

波形編解碼器基本上不考慮信號是如何產(chǎn)生的，而直接將輸入的模擬信號抽樣編碼，然后將量化后的樣值傳送到終端，在終端原始信號被重組到與原信號大致接近的程度。因此波形編碼方式是能夠忠實地表現(xiàn)波形的編碼方式。由于這類編碼器通常將語音信號作為一般的波形信號來處理，所以它具有適應能力強、話音質(zhì)量好、抗噪抗誤碼的能力強等特點，它最大的缺點是同其他的編解碼器相比，它要使用大量的帶寬，當波形編解碼器用于低帶寬時，話音質(zhì)量下降得非?？?。

脈沖編碼調(diào)制（ＰＣＭ）、自適應增量調(diào)制（ＡＤＭ或ΔＭ編碼）、自適應差分編碼（ＡＤＰＣＭ）、自適應預測編碼（ＡＰＣ）、自適應子帶編碼（ＡＳＢＣ）、自適應變換編碼（ＡＴＣ）等都屬于波形編碼。

２．２參數(shù)編碼（或稱為模型編碼或聲碼化編碼）

參數(shù)編碼是根據(jù)聲音的形成模型，把聲音變換成參數(shù)的編碼方式。其基本方法是通過對語音信號特征參數(shù)的提取及編碼，力圖使重建語音信號具有盡可能的可懂性，即保持原語音的語義。而重建的信號波形同原語音信號的波形可能會有相當大的差別。由于參數(shù)編碼是保護語聲模型，重建清晰可識別的語聲，而不注重波形的擬合，所以這類編碼技術(shù)實現(xiàn)的是合成語聲質(zhì)量下的低速或極低速的編碼。參數(shù)編碼的優(yōu)點是：編碼速率低，編碼速率通常小于４．８ｋｂ/ｓ，可以低至６００ｂ/ｓ～２．４ｋｂ/ｓ；缺點是：合成語音質(zhì)量差，特別是自然度較低，連熟人之間都不一定能聽出講話人是誰。另外，這類編碼器對講話環(huán)境噪聲較敏感，需要安靜的講話環(huán)境才能給出較高的可懂度，且時延大。

線性預測編碼（ＬＰＣ）、多帶激勵（ＭＢＥ）編碼、余弦變換編碼（ＳＴＣ）均屬參數(shù)編碼。

２．３混合編碼

混合編碼是將波形編碼與參數(shù)編碼結(jié)合而產(chǎn)生的一種編碼方式。采用線性技術(shù)構(gòu)成聲道模型，不只傳輸預測參數(shù)和清濁音信息，而是將預測誤差信息和預測參數(shù)同時傳輸，在接收端構(gòu)成新的激勵減去激勵預測參數(shù)構(gòu)成的合成濾波器，使得合成濾波器輸出的信號波形與原始語聲信號的波形最大程度地擬合，從而獲得自然度較高的語聲?；旌暇幋a克服了原有波形編碼器與聲碼器的弱點，結(jié)合了它們的優(yōu)點，在４ｋｂ/ｓ～１６ｋｂ/ｓ速率上能夠得到高質(zhì)量合成語音，在本質(zhì)上具有波形編碼的優(yōu)點，有一定抗噪和抗誤碼的性能，但時延較大。

多脈沖線性預測編碼（ＭＰＬＰＣ）、規(guī)則脈沖激勵線性預測編碼（ＲＰＥＬＰＣ）、碼激勵線性預測編碼（ＣＥＬＰＣ）、低時延的碼激勵線性預測編碼（ＬＤ－ＣＥＬＰＣ）等都屬于混合編碼。

３ＶｏＩＰ中常用語音編碼算法的性能分析和比較

３．１Ｇ．７１１協(xié)議

Ｇ．７１１是在電路交換電話網(wǎng)中普遍使用的一種波形編解碼算法。Ｇ．７１１以８ｋＨｚ作為抽樣頻率，如果使用統(tǒng)一量化方式，話音中通用的信號層次的每一個樣本就要１２比特來表示，這就產(chǎn)生了９６ｋｂ/ｓ的比特速率。如果使用不統(tǒng)一的量化方式，表示一個樣本只需要８比特。Ｇ．７１１通常被稱為ＰＣＭ（脈沖編碼調(diào)制）。

Ｇ．７１１有Ａ律和ｕ律兩個變型，兩者之間的區(qū)別主要在于不統(tǒng)一量化的使用方式，兩者都是關(guān)于０對稱。對于較低的信號層次來講，Ａ律對于信號的歪曲程度比ｕ律更小一些，這是因為它對一個較大范圍內(nèi)的低層次信號提供較小的量化間隔，但以較大范圍內(nèi)的高層信號的較大量化層次為代價。Ａ律和ｕ律都提供了良好的語音質(zhì)量，并且Ｍｏｓ等級都在４．３左右。

３．２Ｇ．７２３協(xié)議

Ｇ．７２３協(xié)議是一個雙速率語音編碼協(xié)議，其兩種速率分別是５．３ｋｂ/ｓ和６．３ｋｂ/ｓ，較高比特率的輸出基于ＭＬ－ＭＬＱ技術(shù)，提供某種程度上較高質(zhì)量的音質(zhì)；較低速率的輸出基于ＣＥＬＰ，為系統(tǒng)設計人員提供了更大的靈活性。Ｇ．７２３．１協(xié)議的編解碼算法中兩種速率的編解碼基本原理是一樣的，只是激勵信號的量化方法有差別。對高速率（６．３ｋｂ/ｓ）編碼器，其激勵信號采用多脈沖最大似然量化（ＭＰ－ＭＬＱ）法進行量化，對低速率（５．３ｋｂ/ｓ）編碼器，其激勵信號采用代數(shù)碼激碼線性預測（ＡＣＥＬＰ）法量化。

編碼過程是首先選速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ語音信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，然后把輸入語音信號的每２４０個樣點組成一個幀，也就是３０ｍｓ的幀長。每個幀通過高通濾波器后再分為４個子幀。對于每個子幀，計算出１０階線性預測濾波器的系數(shù)。為了適于矢量量化，把預測系數(shù)轉(zhuǎn)化為線性頻譜對（ＬｉｎｅＳｐｅｃｔｒｕｍＰａｉｒ，ＬＳＰ），然后進行矢量量化。量化前的系數(shù)構(gòu)成短時感覺加權(quán)濾波器，原始語音信號經(jīng)過該濾波器得到感覺加權(quán)語音信號。對于每兩個子幀，編碼器用感覺加權(quán)語音信號求得開環(huán)基音周期，基音周期范圍從１８個樣點到１４２個樣點。此后編碼器所進行的操作都是基于６０個樣點進行的。由開環(huán)基音周期和感覺加權(quán)是在開環(huán)基音周期點周圍的一定范圍內(nèi)求得的。最后，激勵信號被量化，然后把這些參數(shù)和激勵信號量化結(jié)果傳送到解碼器。由于幀長為３０ｍｓ，并存在另外的７．５ｍｓ的前向延遲，導致３７．５ｍｓ總的編碼延遲。

Ｇ．７２３協(xié)議適用于低速率多媒體服務中語音或音頻信號的壓縮算法，在ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)中，被用來實現(xiàn)實時語音編碼解碼處理。

３．３Ｇ．７２６協(xié)議

Ｇ．７２６協(xié)議采用的是ＡＤＰＣＭ語音編碼算法，提供了６４ｋｂ/ｓＰＣＭ碼流至低速率ＡＤＰＣＭ碼流的轉(zhuǎn)換。協(xié)議給出４０ｋｂ/ｓ，３２ｋｂ/ｓ，２４ｋｂ/ｓ和１６ｋｂ/ｓ４種比特率。其中，４０ｋｂ/ｓ信道主要用于在數(shù)字電路倍增設備（ＤＣＭＥ）上傳送數(shù)據(jù)ｍｏｄｅｍ信號，特別用于４．８ｋｂ/ｓ以上速率的ｍｏｄｅｍ；２４ｋｂ/ｓ和１６ｋｂ/ｓ信道主要用作ＤＣＭＥ語音傳送的過載信道。Ｇ．７２６設計的主要用途仍然是傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)，但是其低比特率方案也可用于ＶｏＩＰ。

３．４Ｇ．７２８協(xié)議

Ｇ．７２８協(xié)議采用的編碼算法是ＬＤ－ＣＥＬＰ，即低時延的碼激勵線性預測的算法。ＬＤ－ＣＥＬＰ采用后向自適應預測器（ＢａｃｋｗｏｒｄＡｄａｐｔｉｖｅＰｒｅｄｉｃｔｏｒ）對短時譜和增益進行預測。ＬＤ－ＣＥＬＰ編碼器發(fā)送的只是激勵矢量在碼本中的地址標號，而解碼端的濾波器參數(shù)和增益參數(shù)都是在解碼端計算得來的。在大多數(shù)編碼系統(tǒng)中，這類參數(shù)都是在編碼端求得，然后傳輸?shù)浇獯a端。

編碼過程是首先將速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ輸入信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，接著由５個連續(xù)的語音樣點組成一個５維矢量，激勵碼本中共有１０２４個５維矢量。對每一個輸入矢量，編碼器利用合成—分析法從碼本中搜索出最佳碼本矢量，然后將１０比特的碼本標號傳給對方。每２０個樣點構(gòu)成一個復幀，一個復幀構(gòu)成一個自適應周期，每復幀更新一次ＬＰ系數(shù)。最佳碼本矢量通過增益加權(quán)和合成濾波器后形成合成語音，該合成語音用來更新濾波器狀態(tài)，以便繼續(xù)為下一個輸入矢量進行編碼。合成濾波器系數(shù)和增益分別通過各自的后向自適應單元進行周期性地更新。

３．５Ｇ．７２９協(xié)議

Ｇ．７２９協(xié)議是一個能在８ｋｂ/ｓ速率上實現(xiàn)高質(zhì)量語音編碼的協(xié)議，它采用的是ＣＳ－ＡＣＥＬＰ即共軛結(jié)構(gòu)算術(shù)碼激勵線性預測的算法。ＣＳ－ＡＣＥＬＰ以ＣＥＬＰ編碼模型為基礎，它把語音分成幀，每幀１０ｍｓ，也就是８０個采樣點。對于每一幀語音，編碼器從中分析出ＣＥＬＰ模型參數(shù)，其中包括線性預測系數(shù)，自適應碼本和隨機碼本的索引值和增益，然后把這些參數(shù)傳送到解碼端，解碼器利用這些參數(shù)構(gòu)成激勵源和合成濾波器，從而重現(xiàn)原始語音。

編碼過程是首先將速率為６４ｋｂ/ｓ的ＰＣＭ語音信號轉(zhuǎn)化成均勻量化的ＰＣＭ信號，通過高通濾波器后，把輸入語音信號的每８０個樣點組成一個幀，也就是１０ｍｓ的幀長。對于每個幀用線性預測法求得ＬＰ濾波器系數(shù)，為了適于矢量量化，把預測系數(shù)轉(zhuǎn)化為線譜對，然后進行矢量量化。利用合成—分析方法，使原始語音和合成語音之間的誤差最小，來獲得最佳激勵信號。激勵信號的量化是通過兩個碼本來實現(xiàn)的，即自適應碼本和隨機碼本。自適應碼本反映的是長時預測結(jié)果，也就是基音預測結(jié)果。隨機碼本反映的是經(jīng)過長時預測和短時預測后的殘留信號。

在ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)中，Ｇ．７２９協(xié)議被用來實現(xiàn)實時語音編碼處理。

３．６ＶｏＩＰ常用語音編碼算法的性能分析和比較

從表１可以看出：Ｇ．７１１由于采用的是波形編碼算法，具有高質(zhì)量和低時延的語音，主要的缺點是需要６４ｋｂ/ｓ的帶寬。Ｇ．７２３．１，Ｇ７２８，Ｇ．７２９都采用了混合編碼算法，混合編碼把激勵模型和語音的時域波形結(jié)合到一起，從而改善了合成語音的質(zhì)量。但這３種語音壓縮編碼算法的區(qū)別在于激勵模型的不同。Ｇ．７２３．１Ｍｏｓ值約為３．８，優(yōu)點在于僅需要很窄的語音帶寬便可具有較高的語音質(zhì)量；缺點在于在編碼器一端至少有３７．５ｍｓ的時延。Ｇ．７２８最大的優(yōu)點是它能提供高質(zhì)量和低時延的語音。

４結(jié)語

語音編碼技術(shù)是建立和處理ＶｏＩＰ網(wǎng)絡電話的原動力，可以預見，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，原來Ｇ．７１１的６４ｋｂ/ｓ語音編碼算法最終會被淘汰，并由低比特率編碼算法所替代。

ＶｏＩＰ中的語音編碼技術(shù)分析(2009-04-0110:348頻